Laut Statistik sind Zahnärzte die schrecklichsten Ärzte. Diese Anhänger eines Bohrers und Lachgases sind bereit, alles zu tun, um sich Perlen aus Ihren Zähnen zu machen. Zumindest denken das Menschen mit Dentophobie. In der Tat ist die Arbeit der Zahnärzte wichtig und notwendig. Aber wer keinen Zahnarzt braucht, ist Chitons - Muscheln. Ihre Zähne sind so stark, dass der Ausdruck „am Granit der Wissenschaft nagen“ eine wörtliche Bedeutung erhält. Die Zähne der Tunika-Radula sind mit Magnetitmineral bedeckt, das diese Meeresbewohner unabhängig voneinander produzieren. Daher beschlossen die Wissenschaftler, diesen Prozess genauer zu untersuchen, um neue Informationen zu erhalten, die bei der Schaffung neuer ultrastarker Materialien helfen können. Wie Wissenschaftler ihre Forschungen zum „Lächeln“ von Tuniken durchgeführt haben, was sie entdeckt haben und wie ihre Entdeckungen Menschen helfen können - die Antworten auf diese Fragen finden Sie im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.
MalakologieChitons oder Muschel-Mollusken sind eine Klasse von Muschel-bedeckten Meeresmollusken. Hier ist eine solche Tautologie. Derzeit leben etwa 1.500 Arten in einer Vielzahl von geografischen Regionen und Wasserschichten (vom Flachwasser bis in Tiefen von 2500 m). Das erste Merkmal, das auffällt, ist der Panzer. Es besteht aus 8 Platten, die ziemlich beweglich miteinander verbunden sind, so dass Tuniken bei Gefahr zu einer Kugel zusammenfallen können.
Chiton der Art Cryptochiton stelleri.Wenn wir sagen, dass die Genealogie der Tuniken sehr alt ist, dann ist dies eine Untertreibung, da einige Überreste der Vorfahren der Tuniken (Fossilien) etwa 400 Millionen Jahre alt sind. Gleichzeitig waren diese Meeresbewohner zurückgezogen - die ersten Beschreibungen von Tuniken stammen aus dem Jahr 1758 nach der Urheberschaft des schwedischen Wissenschaftlers Karl Linnaeus.
Radula Tunika.Der Albtraum eines jeden Zahnarztes ist ein Tunika-Mund, der mit einer Radula mit mehreren Zahnreihen zu je 17 Stück ausgestattet ist. Noch einmal, wir sagen dank der Evolution, dass diese Kreaturen maximal 35 cm groß werden und sich von mikroskopisch kleinen Algen ernähren und nicht von Menschen. Jeder der Zähne ist mit Magnetit beschichtet, wodurch sie ihre Lebensmittel von jeder Oberfläche abkratzen können.
Und genau das haben Wissenschaftler interessiert. Wie produzieren Chitons Magnetit und machen ihre Zähne zu einem der stärksten in der Natur?
MagnetitMagnetit (Fe
3 O
4 / Eisenoxid) hat, wie Sie aus dem Namen ersehen können, starke magnetische Eigenschaften, außerdem ist es ein Halbleiter. Sie können dieses Mineral nicht als selten bezeichnen, aber es ist eine Sache, es in einigen Bergen abzubauen und eine andere, es mit Ihrem eigenen Körper zu entwickeln, um Ihren Zähnen Kraft zu verleihen.
So haben wir den Protagonisten dieser Studie und ihre „Supermacht“ ein wenig kennengelernt. Jetzt ist es Zeit, sich eingehender mit der Studie selbst und ihren Ergebnissen zu befassen.
StudienbasisWissenschaftler wissen seit langem, dass einige Organismen Magnetit produzieren können. Unter diesen Organismen gibt es Bakterien, Bienen, Lachse und sogar Tauben. Seit der Entdeckung eines solchen Merkmals in Chitons im Jahr 1962 ist der Mechanismus der Magnetitproduktion jedoch nicht vollständig beschrieben worden. Wissenschaftler stellen fest, dass das Interesse an Chitons um ein Vielfaches gestiegen ist, nachdem der von Cryptochiton stelleri (einer Art von Chitons) produzierte Magnetit als einer der haltbarsten Biominerale anerkannt wurde.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Chitons ist der Ersatz einer Reihe abgenutzter Zähne durch neue Zähne innerhalb der Radula, wodurch wir den gesamten Mineralisierungsprozess analysieren können. Die ersten 8-12 Reihen von C. stelleri-Zähnen sind transparent und haben keinen Magnetit, sondern bestehen mehr aus α-Chitin und Proteinen. Nach 2-5 Zahnreihen verdunkeln sie sich zu einer rotbraunen Farbe, die optisch einer teilweisen Mineralisierung mittels amorphem nanokristallinem Eisenoxid (Ferrihydrit) entspricht. Und die jüngsten Zahnreihen haben bereits ausgeprägte schwarze Vorsprünge, was auf den Abschluss des Mineralisierungsprozesses hinweist, dh auf den Übergang von Ferrihydrit zu Magnetit.
Eine wichtige Nuance - die Oberfläche der Radula und die Basis der Zähne bestehen hauptsächlich aus α-Chitin, aber die Zahnspitze besteht bereits aus einem Mineral. Und dies bedeutet, dass es eine Reihe von Proteinen gibt, die die Besonderheiten der Bildung von Eisenoxid und die weitere Bedeckung dieses speziellen Bereichs mit Magnetit bestimmen.
Um diese Prozesse zu untersuchen, führten die Wissenschaftler eine Reihe von Beobachtungen durch, die es ermöglichten, mit einem Transkript der Geweberadula des Chiton C. stelleri aus beiden Gebieten - mit und ohne Mineralisierung - nachzubilden.
Ergebnisse
Bild Nr. 1Die Zähne der Molluske bilden sich im Gewebe der Radula, wo sie von Epithelzellen umgeben sind (
1a ). Daher werden die für ihre Bildung notwendigen Proteine in denselben Zellen produziert.
Wissenschaftler isolierten RNA aus Radula-Geweben, um eine Reihe von exprimierten Sequenzen in diesen Geweben zu konstruieren (Transkript).
Gewebe von drei Stellen (
1a ) dienten als Proben für die RNA-Isolierung: die ersten 8–12 Zahnreihen (ohne Mineralisierung), 2–5 Reihen (teilweise Mineralisierung) und 5–6 Reihen (vollständige Mineralisierung). Als nächstes wurde eine RNA-Sequenzierung durchgeführt, dh die Bestimmung der Primärstruktur von RNA. Daten von mineralisierten und nicht mineralisierten Stellen wurden in 187980 Transkripten gesammelt. Die durchschnittliche Länge eines Transkripts betrug 705 bp (gepaarte Basen / Nukleotid-Paare) und das Maximum erreichte 16738 bp.
1b zeigt schematisch einen Chiton-Zahn: eine Radula-Membran an der Basis, dann den Hauptteil und die scharfe Spitze des Zahns (äußerer Teil).
Ergebnisse der RNA-Sequenzierung Tabelle C. stelleri.Unter den 20 am häufigsten exprimierten Transkripten in der nicht mineralisierten
Zahnregion sind fünf Transkripte Isoformen des
Cs17717- Proteins
| c0_g1 . Es wurden auch 2 Transkripte von Peritrophin-ähnlichen Proteinen entdeckt -
Cs79475 | c0_g1_i1 und
Cs70642 | c0_g2_i1 mit einer Chitin-Bindungsdomäne. Es ist auch wichtig zu beachten, dass
Cs25220 | c1_g1_i1 ähnelt dem Pif-Protein, das mit der Biomineralisierung von Calciumcarbonat in Mollusken assoziiert ist. Somit haben die obigen Proteine eine Chitin-Bindungsdomäne vom Typ 2.
Ein anderes Bild wurde in den zwanzig exprimierten Transkripten im mineralisierten Bereich der Zähne beobachtet. 35% von ihnen waren mitochondriale Enzyme der Atmungskette. Das an der Chitinbindung beteiligte
Cs12250 | c0_g1_i1- Protein wurde ebenfalls nachgewiesen. Interessanterweise wurde dieses Protein zuvor im Schnabel des Tintenfischs gefunden. Etwa 25% der Transkripte sind Isoformen des
Cs22243- Proteins
| c0_g7 , dessen Funktionen noch nicht untersucht wurden.
Wissenschaftler haben eine Reihe wichtiger Proteine identifiziert, die ihrer Meinung nach am Mineralisierungsprozess beteiligt sind. Sie halten Ferritin jedoch für das wichtigste, das für die Lagerung und den Transfer von Eisen erforderlich ist. Ferritin bildet eine Proteinzelle - eine Art Falle, in der bis zu 4.500 Eisenatome in Form eines Minerals auf Eisenoxidbasis platziert werden.
Tabelle aller mit der Zahnmineralisierung verbundenen Proteine C. stelleri.Und da Ferritin-Gene in den Radula-Geweben der getesteten Mollusken gefunden wurden, schlugen die Wissenschaftler mutig vor, dass er am Prozess der Mineralisierung der Zähne beteiligt war.
Die Wissenschaftler analysierten 134.993 Transkripte auf Anzeichen von Homologie (genetische Ähnlichkeit) mit Ferritin-Genen. Als Ergebnis wurden 4 Aminosäuretranskriptsequenzen isoliert.
Eine Analyse der vier zeigte, dass
Cs90734 | c0_g1_i1 eine Homologie mit sekretierten Ferritinen aufweist und die drei verbleibenden (
Cs22563 | c0_g1_i1 ,
Cs75144 | c0_g1_i1 und
Cs17042 | c0_g1_i1 ) den cytoplasmatischen Ferritinen ähnlicher sind.
Wissenschaftler weisen auch darauf hin, dass Ferritin
Cs90734 | c0_g1_i1 im Gegensatz zu seinen „Kollegen“ einige strukturelle Eigenschaften aufweist, die sekretierten Ferritinen innewohnen und nicht zytoplasmatisch sind.
Erstens hat er eine Insertion von ungefähr 40 Aminosäureresten (Aminosäuren außerhalb der Peptidsequenz). Zweitens werden metallbindende Reste durch andere Aminosäuren ersetzt. Das einzige, was
Cs90734 | c0_g1_i1 nicht von Ferritinen vom sekretierten Typ hat, sind die Signalsequenzen.
Die höchste Expressionsrate war für ein spezifisches Ferritin -
Cs75144 | c0_g1_i1 , das interessanterweise im nicht mineralisierten Bereich der Zähne stärker ausgeprägt war. Dies zeigt seine Bedeutung für den Mineralisierungsprozess.
Insgesamt 31 Proteine aus der Zahnbasis und der Radula-Membran wurden identifiziert. Davon wurden 22 in der ersten Phase der Analyse mittels Tandem-Massenspektrometrie identifiziert. Diese Technik ermöglichte es auch zu verstehen, dass Peptidsequenzen aus den mineralisierten Bereichen des Zahns mit 232 Transkripten und Peptidsequenzen aus der Zahnbasis und Membran mit 114 Transkripten korrelieren.
Aus dem Bereich der Zahnspitzen wurden 77 Proteine identifiziert (61 während der ersten Analyse und 54 während der zweiten), darunter die folgenden: Myoglobin, Actin, Elongationsfaktor 1 alpha und
Argininkinase (
Cs77196 | c0_g2_i1 ,
Cs47470 | c2_g3_i1 ,
Cs24354 | c0_g1_i1 Cs82664 | c0_g1_i1 ). Alle von ihnen werden durch die zwanzig am häufigsten exprimierten Transkripte im nicht mineralisierten Bereich der Zähne dargestellt.
Bei der Suche nach Verantwortlichen für die Mineralisierung von Proteinen wurde eine Maskottchensoftware verwendet, die auf der Grundlage von Massenspektrometriedaten arbeitete und Proteine durch Peptidsequenzen bestimmte. Unter den untersuchten Proteinen wurde besonderes Augenmerk auf das zuvor nicht identifizierte Protein
Cs68435 | c0_g1_i1 gelegt , das keine gemeinsamen Merkmale mit den Sequenzen anderer Proteine
aufwies . Wissenschaftler gaben ihm den Namen
RTMP1 (Matrixprotein der
Radialzähne 1).
Die Peptidsequenz des Proteins
Cs68435 | c0_g1_i1 enthält
Glycin- und Serinreste. Da die Fünf-Primzahl (5 ') dieses Proteins verkürzt war, wurde die Gesamtsequenzlänge unter Verwendung von 5'-RACE bestimmt.
RACE (schnelle Amplifikation von cDNA-Enden) ist ein Verfahren zur Herstellung doppelsträngiger cDNA-Endregionen, die homolog zu den 3'- oder 5'-Enden spezifischer mRNA-Moleküle sind.
Die vollständige Aminosäuresequenz des neuen RTMP1-Proteins.Das allgemeine Bild der Sequenz ist wie folgt: Stellen, die mit Glycin und Serin (GS) angereichert sind, dann Stellen mit Tryptophan und Phenylalanin (WF) und Stellen, die reich an Histidin (H) sind.
Wissenschaftler fanden auch heraus, dass das Alignment von WF-Sequenzen aus RTMP1-Chitin-Bindungsdomänen von vier bakteriellen Chitinasen (Enzymen, die den Chitinabbau aktivieren) zeigte, dass drei von fünf mutmaßlichen Resten, die mit Chitin in Chitin-Bindungsdomänen interagieren, auch in RTMP1 vorhanden sind.
Wissenschaftler haben das Expressionsprofil von Transkripten bestimmt, die mit Mineralisierungsproteinen in verschiedenen Mineralisierungsperioden assoziiert sind. Das Expressionsniveau einiger Transkripte (zum Beispiel Neuroglobin-ähnliche Proteine, Superoxiddismutase, Peroxyredoxin-6 usw.) unterscheidet sich in Zahnbereichen mit und ohne Mineralisierung um etwa das Vierfache. Das Expressionsniveau variiert je nach Verlauf des Mineralisierungsprozesses. Mit anderen Worten, je näher an der Mineralisierungsstelle, desto geringer ist die Expression einiger Transkripte und desto höher ist die Expression anderer (z. B. RTMP1-Protein).
Für eine detailliertere Kenntnis der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den
Bericht der Forschungsgruppe und
zusätzliche Materialien dazu ansehen.
NachwortDiese Studie war die erste, die ein Transkript von Gewebe-Radon-Chiton zeigte. Wissenschaftler konnten herausfinden, dass die am häufigsten exprimierten Transkripte in nicht mineralisierten Gebieten Ferritin-Gene enthalten und in mineralisierten - mitochondrialen Atmungskettenenzymen.
Die Forscher isolierten außerdem 22 Proteine im mineralisierten Gebiet, von denen eines völlig neu entdeckt wurde - RTMP1. Diese Proteine werden in weiteren Studien zur Mineralisierung von Eisenoxid in Tuniken getestet.
Diese Arbeit ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie Mineralien tatsächlich in biologischen Systemen gebildet werden. Solche Fälle sind keine Seltenheit, wurden aber derzeit äußerst oberflächlich untersucht. In Zukunft kann dieses Wissen dazu beitragen, neue Methoden zum Züchten bestimmter Materialien zu entwickeln und ihnen sehr nützliche Eigenschaften (Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierung usw.) zu verleihen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Arbeitswoche, Jungs.
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